Biomechanische Stimulation von Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen auf 3D-Nanostrukturen

Apr 15, 2019

Biomechanische Stimulation von Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen auf 3D-Nanostrukturen

Maheswaran V, Özdemir B, Plettl A, Brenner R, Fiedler J

Fragestellung: Der Einfluss nanoskaliger Strukturen auf die Osseointegration von Biomaterialien nimmt bei der Implantatentwicklung eine zentrale Rolle ein. In vorherigen Arbeiten konnten wir die Effekte verschiedener, starrer Nanostrukturen auf humane mesenchymale Stammzellen und Osteoblasten zeigen. Aufbauend auf diese Arbeiten haben wir die Untersuchung der Zell-Biomaterial-Wechselwirkung erweitert, indem ein neuartiges System zur biomechanischen Stimulation der Zellen auf SiO2 basierten dreidimensionalen Trägermaterialien etabliert wurde.

Methodik: Humane Osteoblasten (Ob) und mesenchymale Stammzellen (MSC) wurden aus Restgewebe von Total-Endoprothese-Operationen isoliert. Eine biomechanische Stimulation der Zellen auf 3D-Nanostrukturen erfolgte durch eine neuartige, selbstentwickelte Apparatur.

Mit dieser neuen Methode wurden biegeelastische nanolithotopographisch hergestellte dreidimensionale SiO2-Oberflächen (Abbildung 1 A [Abb. 1]) mit einer Höhe von 100 nm, einem Durchmesser von 10-30 nm und einem Säulenabstand von 100 nm mit Ob und MSC besiedelt und je für 30 min in 24 h zyklisch (Frequenz: 1 Hz) gebeugt. (Abbildung 1 B und C [Abb. 1]) Analysiert wurden die Genexpression osteogener und apoptotischer Markergene mittels quantitativer RT-PCR, sowie die Auswirkung der biomechanischen Stimulation auf das Zytoskelett über immunhistologische Färbungen von Aktin, Vinculin und Vimentin. Eine Statistische Auswertung erfolgte mittels Varianzanalyse (ANOVA).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die entwickelte Apparatur erlaubte die sterile Kultivierung der Zellen über den gesamten Testzeitraum von 48h. Im Vergleich zu den bisher untersuchten nanostrukturierten Substraten gab es bezüglich der Zelladhäsion keine Unterschiede, d.h. alle Zellen adhärierten auch auf den eingesetzten dreidimensionalen SiO2-Membranen. Nach der biomechanischen Stimulation zeigten die Zellen weiterhin Adhärenz auf dem Trägermaterial, wobei Zell-morphologische Unterschiede im Vergleich zu nicht stimulierten Oberflächen sichtbar wurden. Daraus ist zu Folgern, dass die geringen, im 1 nm Bereich liegenden Änderungen der Säulen-Abstände zur Modulation der Zell-Antwort führten. Dieser Einfluss konnte auch auf Genexpressionsebene nachgewiesen werden.

Somit erlaubt das entwickelte Gerät, in vitro strukturelle Änderungen einer 3D-Nanotopographie zu simulieren und deren zellbiologische Effekte zu analysieren. Dies bietet für die Zukunft völlig neue Möglichkeiten, das Zellverhalten auf nanoskaligen 3D-Strukturen unter biomechanischen Einflüssen zu testen.

 

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR18-1108

doi: 10.3205/14dkou526urn:nbn:de:0183-14dkou5268

Published: October 13, 2014
© 2014 Maheswaran et al.
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